(57)【要約】  本発明は、タービン、特に蒸気タービンのタービンロータのためのロータ軸（１）であって、第一の材料から作られた軸本体（２）と、第二の材料から作られるとともに軸本体に取り付けられた少なくとも一つのリング（１５，１６）と、を有し、第二の材料は、第一の材料と同一の強度もしくは第１の材料より大きい強度および／または第一の材料より大きい耐食性を有し、リング（１５，１６）には少なくとも一つの翼溝（１８）が形成されており、リングは、ナローギャップ溶接を用いて軸本体（２）と材料的に結合されているロータ軸（１）に関する。
2019527315.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン、特に蒸気タービンのタービンロータのためのロータ軸（１）であって、
第一の材料から成る軸ベース部材（２）と、第二の材料から成るとともに前記軸ベース部材（２）に取り付けられた少なくとも一つのリング（１５，１６，２３，２４）と、を有し、
前記第二の材料は、前記第一の材料と同一の強度もしくは前記第一の材料より高い強度および／または前記第一の材料より高い耐食性を有し、
前記リング（１５，１６，２３，２４）には少なくとも一つの翼溝（１８）が形成されており、前記リング（１５，１６，２３，２４）は、ナローギャップ溶接を用いて前記軸ベース部材（２）と材料的に一体式に結合されているロータ軸（１）。
【請求項２】
前記リング（１５，１６，２３，２４）は、０．１０重量％−０．３０重量％のＣ、１．０重量％−６．０重量％のＣｒ、３．０重量％−６．０重量％のＮｉの組成を有する、請求項１に記載のロータ軸（１）。
【請求項３】
前記リング（１５，１６，２３，２４）は、前記ナローギャップ溶接を用いて作り出された少なくとも一つの溶接継ぎ目（１７）を介して前記軸ベース部材（２）と結合されており、前記溶接継ぎ目（１７）は、第一の溶接材料から成るとともに軸方向において外側にある外側部分と、第二の溶接材料から成るとともに前記外側部分同士の間にある中央部分と、を有し、前記第一の溶接材料は前記第二の溶接材料より高い耐食性を有する、請求項１または２に記載のロータ軸（１）。
【請求項４】
前記リング（１５，１６，２３，２４）は、圧延または鍛造によって製造されている請求項１から３のいずれか一項に記載のロータ軸（１）。
【請求項５】
前記ロータ軸（１）が、少なくとも二つのリング（１５，１６，２３，２４）であって、前記軸ベース部材（２）の軸端部（９，１０）に向かってオフセットされて設けられるとともに、前記軸ベース部材（２）に取り付けられている、少なくとも二つのリング（１５，１６，２３，２４）を有し、前記軸端部（９，１０）に対してより近くに設けられているとともにリング（１５，１６）を担持する、前記軸ベース部材（２）の取り付け部分（５，８）の外径（１１，１３）は、前記軸端部（９，１０）からさらに遠くに設けられているとともに他のリング（２３，２４）を担持する、前記軸ベース部材（２）の取り付け部分（６，７）の外径（１２，１４）よりも小さい、請求項１から４のいずれか一項に記載のロータ軸（１）。
【請求項６】
タービン、特に蒸気タービンのタービンロータのロータ軸（１）を製造するための方法であって、
第一の材料から軸ベース部材（２）を製造するステップと、
第二の材料から少なくとも一つのリング（１５，１６，２３，２４）を製造するステップであって、前記第二の材料は、前記第一の材料と同一の強度もしくは前記第一の材料より高い強度および／または前記第一の材料より高い耐食性を有する、ステップと、
前記リング（１５，１６，２３，２４）を前記軸ベース部材（２）に取り付けるステップと、
ナローギャップ溶接を用いて前記リング（１５，１６，２３，２４）を前記軸ベース部材（２）に材料的に一体式に結合するステップと、
前記リング（１５，１６，２３，２４）に少なくとも一つの翼溝（１８）を形成するステップと、を有する方法。
【請求項７】
前記リング（１５，１６，２３，２４）は、溶接の前に、５５０℃と６３０℃の間の温度で熱処理を受ける、請求項６に記載のロータ軸（１）を製造するための方法。
【請求項８】
前記リング（１５，１６，２３，２４）の溶接後、５８０℃と６５０℃の間の温度で熱処理が実施される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記リング（１５，１６，２３，２４）は、前記ナローギャップ溶接を用いて作り出された少なくとも一つの溶接継ぎ目（１７）を介して前記軸ベース部材（２）と材料的に一体式に結合され、前記溶接継ぎ目（１７）は、当該溶接継ぎ目（１７）が、第一の溶接材料から成るとともに軸方向において外側にある外側部分と、第二の溶接材料から成るとともに前記外側部分同士の間にある中央部分と、を有するように製造され、前記第一の溶接材料は前記第二の溶接材料より高い耐食性を有する、請求項６から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記溶接継ぎ目（１７）の溶接継ぎ目基底部は、少なくとも部分的に、前記リング（１５，１６，２３，２４）と前記軸ベース部材（２）との間の間隙の外側に形成される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ナローギャップ溶接は、電子ビーム溶接またはＷＩＧ溶接またはＭＡＧ溶接を用いて実施される、請求項６から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記ナローギャップ溶接は、前記リング（１５，１６，２３，２４）に対して最も近くに設けられている前記軸ベース部材（２）の軸端部（９，１０）に対向する側から実施される、請求項６から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記リング（１５，１６，２３，２４）は、前記ナローギャップ溶接の前に、少なくとも一つのセンタリング手段を介して、前記軸ベース部材（２）に対して同軸的に位置調整される、請求項６から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも前記リング（１５，１６，２３，２４）は、前記ナローギャップ溶接の終了後、後熱処理を受ける、請求項６から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記リング（１５，１６，２３，２４）は、圧延または鍛造によって製造される、請求項６から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記リング（１５，１６，２３，２４）は、前記リング（１５，１６，２３，２４）の目標幅よりも大きい幅を有して製造され、前記リング（１５，１６，２３，２４）の前記幅は、前記ナローギャップ溶接の終了後、および前記リング（１５，１６，２３，２４）の検査後に、材料除去によって前記目標幅まで減らされる、請求項６から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも二つのリング（１５，１６，２３，２４）は、前記軸ベース部材（２）の軸端部（９，１０）に向かってオフセットされて前記軸ベース部材（２）に取り付けられ、前記軸ベース部材（２）は、前記軸端部（９，１０）に対してより近くに設けられているとともにリング（２３，２４）を担持する、前記軸ベース部材（２）の取り付け部分（５，８）の外径（１１，１３）が、前記軸端部（９，１０）からさらに遠くに設けられているとともに他のリング（１５，１６）を担持する、前記軸ベース部材（２）の取り付け部分（６，７）の外径（１２，１４）よりも小さいように製造される、請求項６から１６のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン、特に蒸気タービンのタービンロータのためのロータ軸に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、また、タービン、特に蒸気タービンのタービンロータのロータ軸を製造するための方法に関する。
【０００３】
蒸気タービンは、回転可能に支承されたタービンロータを含み、タービンロータはロータ軸を有し、ロータ軸には、複数の動翼列が軸方向において互いに離間して設けられている。動翼はそれぞれ動翼基底部を含み、動翼基底部は、それぞれの動翼をロータ軸に固定するために、ロータ軸においてそれぞれの動翼列に関連付けられた翼溝に挿入されている。このために、動翼基底部は、通常、断面において樅ノ木形状に形成された基底部部分を有し、翼溝は断面において基底部部分を補完するように形成されている。
【０００４】
蒸気タービン、特に低圧蒸気タービンのタービンロータは蒸気タービンの作動中に様々な応力を受ける。例えば軸方向において外側にある翼列の翼溝内では、非常に大きい引張応力が生じる。加えて蒸気タービンを貫流する湿った蒸気ゆえに応力腐食が生じ、応力腐食は、タービンロータの高負荷領域において、応力腐食割れを促進しかねない。
【０００５】
加えて、モノブロックの形態での、もしくはロータ軸を形成するために互いに結合可能な軸モジュールの形態での一体式ロータ軸を、それぞれ必要な寸法で相応の技術的材料特性を有して製造できることが保証されている点が重要である。したがって完成したロータ軸もしくは軸モジュールのための材料選択は、主に、ロータ軸の最も大きい負荷のかかる領域の要求に従って行われる。このような領域は、できる限り高品質であるがコストもかさむ材料を用いて製造されると想定される。ロータ軸もしくは軸モジュールにおける負荷がより小さい領域に、このように高品質の材料を用いる必要はない。したがって完成したロータ軸のため、もしくは軸モジュールのための材料選択は、通常、比較的高価な材料と、それぞれの要求に適合させられた比較的廉価な材料と、の妥協になる場合が多い。
【０００６】
ロータ軸は、従来、モノブロックとして単体から、あるいは互いに溶接されたディスク状もしくはシリンダ状の軸モジュールから製造されている。低圧ロータ領域のための典型的な材料は、（２．８−３．５）ＮｉＣｒＭｏＶ鋼であるが、１ＣｒＭｏＶ鋼あるいは２ＣｒＭｏＷＶ鋼もある。このような鋼は、複合型中低圧ロータ軸に対して用いられるが、ロータ軸直径に応じて実現可能な特性において制限を受ける。
【０００７】
靭性レベルが最も優れていて、最高の強度を提供するのは、３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼である。しかしながらそれぞれのモノブロックもしくは軸モジュールの質量および直径が大きいためにこれらの材料も、例えば、鍛造、および焼き入れ・焼き戻しのための熱処理といった製造技術上応用される製造方法ゆえに、当該材料の実現可能な強度と、モノブロックもしくは軸モジュールの断面にわたる均一性と、において限界がある。３．５ＮｉＣｒＭｏＶロータ軸材料のさらなる展開レベルは、「スーパークリーン」変化形態であるが、これは、純粋性が要求されかつ製造複雑性が増大するために、はるかに高価なものになる（およそ１０％から２０％）。制限となる要因はまた、この材料のための供給者ベースが限定されている点である。
【０００８】
長期にわたり作動の負荷を受けた低圧ロータ軸、もしくは軸方向において外側にある翼列段の翼溝内に亀裂を有するロータ軸を再加工する際、腐食の負荷を受けたロータ軸を補強もしくは形態修正することは、静的強度、振動強度（低サイクル疲労（Ｌｏｗ  Ｃｙｃｌｅ  Ｆａｔｉｇｕｅ））、周期的流動曲線、および無欠陥性の点で、３．５ＮｉＣｒＭｏＶ材料の本来設計された特性をもってしては、従来不可能であった。翼溝の全ての段を肉盛溶接するという非常に高価なやり方でも、鍛造材料の通常の特性は得られず、溶接欠陥の危険性は確実である。こうなると、臨界的な亀裂深度に達するまで作動を続けるか、ロータ軸鍛造材を完全に交換するかのいずれかしかない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、タービンのタービンロータのためのロータ軸であって、当該ロータ軸の特性がコスト効率のよいやり方で、それぞれの要求に個々に適合されている、ロータ軸を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的は独立請求項により達成される。有利な構成は、以下の詳細な説明と従属請求項と図面とに記載されており、これらはそれぞれ単独で、または少なくとも二つの構成を互いに様々に組み合わせて、本発明の発展的な態様、特にまた好適または有利な態様を表すことができる。
【００１１】
本発明に係る、タービン、特に蒸気タービンのタービンロータのためのロータ軸は、第一の材料から成る軸ベース部材と、第二の材料から成るとともに軸ベース部材に取り付けられた少なくとも一つのリングと、を含み、第二の材料は、第一の材料と同一の強度もしくは第一の材料より高い強度および／または第一の材料より高い耐食性を有し、リングには少なくとも一つの翼溝が形成されており、リングは、ナローギャップ溶接を用いて軸ベース部材と材料的に一体式に結合されている。
【００１２】
本発明によれば、ロータ軸の特性は、部分的に、特に低圧領域内、例えば軸方向において外側の翼溝の領域内で、それぞれの要求と、生じている負荷と、に適合させることができ、その適合は、少なくとも一つのリングが軸ベース部材に取り付けられ、当該リングの材料特性は軸ベース部材の材料特性と異なり、特により高い機械的負荷および／または腐食性負荷に関して最適化されていることによって行われる。特にリングの材料特性は、実質的に軸ベース部材の材料特性から独立して、機械的特性および／または腐食特性に関して最適化することができる。高強度で、かつ／またはより耐食性が高く、それにより通常はより高価な第二の材料の使用がリングに限定されているために、軸ベース部材は最適化されるとともに場合により、よりコスト効率のよい第一の材料から製造することができ、それは従来のモノブロック製造に比べてコスト低減につながりやすい。本発明に応じて、より腐食に耐え、もしくは耐食性がより大きい、かつ／または強度がより大きい第二の材料を用いることは、特に低圧流出部にあって湿度の割合が高い、タービンの翼溝領域において有利である。
【００１３】
本発明によれば、リングは、それぞれの応用事例に適合された材料特性を備える低温の低圧終端翼溝を形成するために用いることができる。リングは、そのためにナローギャップ溶接を用いて、軸ベース部材の周囲に材料係合式に固定されている。リングは、ロータ軸の材料を、リングにおいて形成された翼溝の領域内で、例えば高い静的強度、最適なＬＣＦ挙動、および／または高いレベルの耐食性といったそれぞれの要求に適合させることを可能性にする。
【００１４】
リングの体積もしくは断面がより小さいことにより、リングは従来の鍛造法または圧延法を用いて、より均一に、より高いレベルの強度を有して、例えば組織の粒子がより細かく、純粋度がより優れており、ＬＣＦ特性がより良好であるといった状態で製造することができ、これは、従来のモノブロックまたは軸モジュールでは、これらのために用いられる製造方法および物理的境界条件ゆえに不可能である。
【００１５】
本発明によりリングの領域内で、ロータ軸における材料特性の径方向の勾配を生じさせることができる。勾配は、例えば、ロータ軸の表面から、ロータ軸の長手方向中心軸線へと生じさせることができる。中低圧ロータ軸または高中低圧ロータ軸を、モノブロックとして（１−２）ＣｒＭｏＶから構築し、０番目の翼列の爪材料をリングとして取り付けてもよい。
【００１６】
本発明に応じて少なくとも一つのリングを軸ベース部材に取り付けることはまた、応用事例に応じてそれぞれの最終段の大きさに対して厚さおよび／または幅の異なるリングが、寸法を統一されたロータ軸ベース部材に取り付けられることにより、ロータ軸を標準化する可能性を提供する。
【００１７】
軸ベース部材は新規製造の過程で製造されてよい。軸ベース部材は、代替的に、既存の、特に中古のロータ軸の加工動作により、特に旋盤加工により形成されてよく、損傷を受けた翼溝が形成されている修理すべき部分は除去される。すでに用いられていて、亀裂が生じているロータ軸を修理する場合、当該ロータ軸は、ロータ軸の加工を介して製造された軸ベース部材にリングを取り付けることにより、形態修正することができる。軸ベース部材は、モノブロックとして、または互いに溶接された軸モジュールから製造されていてよい。リングは、肉盛溶接に比べて、少なくとも元のロータ軸と同等の特性を有する。したがって従来のロータ軸の腐食性の損傷を受けた翼溝、あるいは亀裂の生じた翼溝の修理を、コスト効率よく行うことができる。
【００１８】
本発明に係るロータ軸は、相応に軸ベース部材に取り付けられた二つ以上のリングを有してよく、当該リングにそれぞれ少なくとも一つの翼溝が形成されている。
【００１９】
リングは、好ましくは、ナローギャップ溶接を用いて作り出された少なくとも一つの溶接継ぎ目を介して軸ベース部材と結合されており、溶接継ぎ目は、第一の溶接材料から成るとともに軸方向において外側にある外側部分と、第二の溶接材料から成るとともに外側部分同士の間にある中央部分と、を有し、第一の溶接材料は第二の溶接材料より高い耐食性を有する。これによりまず、第一の溶接材料から成る溶接継ぎ目基底部を製造することができ、当該溶接継ぎ目基底部は溶接継ぎ目の一方の外側部分を形成する。続いて溶接継ぎ目の中央部分を第二の溶接材料を用いて製造することができる。最終的に第一の溶接材料から成る被覆層を製造することができ、当該被覆層は溶接継ぎ目の他方の外側部分を形成する。第二の溶接材料は第一の溶接材料より高い強度を有してよい。これによりロータ軸の当該構成において、要求に見合った溶接継ぎ目特性の軸方向勾配を生じさせることが可能である。溶接継ぎ目は、径方向においてロータ軸のある深さ、もしくは相応の深さ領域であって、より小さい負荷を受ける、深さ領域まで延在する。溶接継ぎ目は径方向位置から非破壊式に、例えば超音波を用いて検査されるが、それは、音波ビームの好適な向きが、溶接継ぎ目における表示（例えば端部接合の欠陥）を可能とするために提供されるからである。
【００２０】
リングは、好ましくは、０．１０重量％−０．３０重量％のＣ、１．０重量％−６．０重量％のＣｒ、３．０重量％−６．０重量％のＮｉから構成されている。
【００２１】
リングは、好ましくは、圧延または鍛造によって製造されている。リングは、特にリング圧延によって製造されていてよい。
【００２２】
ロータ軸は、好ましくは、少なくとも二つのリングであって、軸ベース部材の軸端部に向かってオフセットされて設けられるとともに、軸ベース部材に取り付けられた、少なくとも二つのリングを含み、軸端部に対してより近くに設けられているとともにリングを担持する、軸ベース部材の取り付け部分の外径は、軸端部からさらに遠くに設けられているとともに他のリングを担持する、軸ベース部材の取り付け部分の外径よりも小さい。これに対応して、軸端部に対してより近くに設けられている取り付け部分に取り付けられたリングの内径は、軸端部からさらに遠くに設けられている取り付け部分に取り付けられたリングの内径よりも小さい。これにより、より大きい内径を有するリングが、軸端部からより大きい距離を有して軸ベース部材に嵌められ得ることが確実になる。
【００２３】
タービン、特に蒸気タービンのタービンロータのロータ軸を製造するための本発明に係る方法は、
第一の材料から軸ベース部材を製造するステップと、
第二の材料から少なくとも一つのリングを製造するステップであって、第二の材料は、第一の材料と同一の強度もしくは第一の材料より高い強度および／または第一の材料より高い耐食性を有する、ステップと、
リングを軸ベース部材に取り付けるステップと、
ナローギャップ溶接を用いてリングを軸ベース部材に材料的に一体式に結合するステップと、
リングに少なくとも一つの翼溝を形成するステップと、を含んでいる。
【００２４】
ロータ軸に関連して上記において挙げた有利点は、前記方法と相応に結びついている。特に上記の構成のうちの一つによるロータ軸、または上記の構成の少なくとも二つを互いに任意に組み合わせたものによるロータ軸は、前記方法を用いて製造することができる。ナローギャップ溶接は、軸ベース部材を垂直に向けてＰＡ溶接位置で、または軸ベース部材を水平に向けてＰＣ溶接位置で実施することができる。ナローギャップ溶接の間、リングはローラ―コンベアを用いて支持することができる。
【００２５】
リングは、好ましくは、溶接の前に、５５０℃と６３０℃の間の温度で熱処理を受ける。リングの溶接後、ロータ軸は、好ましくは、５８０℃と６５０℃の間の温度で熱処理を受ける。
【００２６】
リングは、好ましくは、ナローギャップ溶接を用いて作り出された少なくとも一つの溶接継ぎ目を介して軸ベース部材と材料的に一体式に結合されており、溶接継ぎ目は、当該溶接継ぎ目が、第一の溶接材料から成るとともに軸方向において外側にある外側部分と、第二の溶接材料から成るとともに外側部分同士の間にある中央部分と、を有するように製造され、第一の溶接材料は第二の溶接材料より高い耐食性を有する。当該構成は、ロータ軸の対応する構成に関連して上記において挙げた有利点を相応に伴う。
【００２７】
溶接継ぎ目の溶接継ぎ目基底部は、好ましくは、少なくとも部分的に、リングと軸ベース部材との間の間隙の外側に形成される。これにより溶接継ぎ目基底部は、部分的または完全に、ロータ軸の完成形状の外側に設けられている。軸方向における溶接継ぎ目端部、および結果的に少なくとも部分的に溶接継ぎ目基底部を後から除去することにより、溶接継ぎ目に沿って均一な機械的特性が生じる。
【００２８】
ナローギャップ溶接は、好ましくは、電子ビーム溶接を用いて実施される。電子ビーム溶接は、好ましくは、還元された真空の下で実施される。ナローギャップ溶接は、代替的に、ＷＩＧ溶接またはＭＡＧ溶接を用いて実施することができる。
【００２９】
ナローギャップ溶接は、好ましくは、リングに対して最も近くに設けられている軸ベース部材の軸端部に対向する側から実施される。リングは、特に、リングに対してより近くに設けられている軸ベース部材の結合部側から、一気に軸ベース部材と溶接することができる。
【００３０】
リングは、好ましくは、ナローギャップ溶接の前に、少なくとも一つのセンタリング手段を介して、軸ベース部材に対して同軸的に位置調整される。特に、基底部領域には好適なセンタリングが提供されていてよい。場合により、一時的な焼き嵌め接合を用いることができる。
【００３１】
好ましくは少なくともリングは、ナローギャップ溶接の終了後、後熱処理を受ける。この局所的な後熱処理により、目標を定めてリングの機械的特性を調整することが可能である。このときリングの熱処理状態は、リングが後熱処理であって、その際に溶接結合部の熱処理も行うことができる、後熱処理の後に、必要とされる機械的特性を有しているように選択される。
【００３２】
リングは、好ましくは、圧延または鍛造によって製造される。
【００３３】
リングは、好ましくは、リングの目標幅よりも大きい幅を有して製造され、リングの幅はナローギャップ溶接の終了後、およびリングの検査後に、材料除去によって目標幅まで減らされる。したがって、まず製造されるリングの幅は、当該領域内で目指されるロータ軸の完成形状よりも大きい。熱処理後のリングの検査に続いて、ロータ軸の完成形状と異なるリングの材料領域は、リングを目標幅まで減少させるために除去することができる。
【００３４】
少なくとも二つのリングは、好ましくは、軸ベース部材の軸端部に向かってオフセットされて軸ベース部材に取り付けられ、軸ベース部材は、軸端部に対してより近くに設けられているとともにリングを担持する、軸ベース部材の取り付け部分の外径が、軸端部からさらに遠くに設けられているとともに他のリングを担持する、軸ベース部材の取り付け部分の外径よりも小さいように製造される。当該構成は、ロータ軸の対応する構成に関連して上記において挙げた有利点を相応に伴う。
【００３５】
以下において添付の図面を参照し、好適な実施の形態に基づいて例を挙げながら本発明を説明するが、以下に示される特徴はそれぞれ単独でも、互いに様々に組み合わせても、本発明の発展的な態様または有利な態様を表すことができる。図面に示すのは以下のとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】最初の製造状態における本発明に係るロータ軸の実施の形態の概略的な長手方向断面を示す図である。
【図２】図１に示すロータ軸のさらなる製造状態における概略的な長手方向断面を示す図である。
【図３】図１に示すロータ軸のさらなる製造状態における概略的な長手方向断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１は、タービンのタービンロータのための、最初の製造状態における本発明に係るロータ軸１の実施の形態の概略的な長手方向断面を示している。
【００３８】
ロータ軸１は、第一の材料から成る軸ベース部材２を含む。軸ベース部材２には、複数の周方向翼溝３が形成されており、当該翼溝は軸方向において互いに離間している。中央の翼溝３には、短い動翼４が設けられている。
【００３９】
軸ベース部材２には４個の取り付け部分５から８が形成されており、取り付け部分５および６は、左に示される軸ベース部材２の軸端部９に対してより近くに設けられており、取り付け部分７および８は、右に示される軸ベース部材２の軸端部１０に対してより近くに設けられている。軸端部９に対してより近くに設けられている取り付け部分５の外径１１は、軸端部９からさらに遠くに設けられている取り付け部分６の外径１２よりも小さい。軸端部１０に対してより近くに設けられている取り付け部分８の外径１３は、軸端部１０からさらに遠くに設けられている取り付け部分７の外径１４よりも小さい。外径１１および１３もしくは１２および１４は、同一であるか、または異なっていてよい。取り付け部分５から８は、軸ベース部材２の新規製造の間に、あるいは従来のロータ軸の加工により、それぞれの取り付け部分５，６，７もしくは８に対して径方向外側に存在する、図に示されていない材料部分であって、損傷を受けた翼溝が形成されている材料部分が切除されて取り除かれ、それにより従来のロータ軸が修理されることによって、形成することができる。軸ベース部材２には、図２および図３に示すとともに以下において説明するように、４個のリングが設けられる。
【００４０】
図２は、図１に示すロータ軸１の別の製造状態における概略的な長手方向断面を示す。当該製造状態が、図１に示す製造状態と異なるのは、軸ベース部材２に第二の材料から成る二つのリング１５および１６が取り付けられている点であり、第二の材料は第一の材料と同一のもしくはより高い強度および／または第一の材料より高い耐食性を有している。それぞれのリング１５もしくは１６は、圧延または鍛造により製造されている。
【００４１】
リング１５は、すでにナローギャップ溶接を用いて、材料的に一体式に軸ベース部材２と結合されている。特にリング１５は、ナローギャップ溶接を用いて生じさせられた溶接継ぎ目１７を介して軸ベース部材２と結合されている。溶接継ぎ目１７は、第一の溶接材料から成るとともに軸方向において外側にある、（図に示されていない）外側部分と、第二の溶接材料から成るとともに外側部分同士の間にある図に示されていない中央部分と、を有し、第一の溶接材料は第二の溶接材料より高い耐食性を有する。ナローギャップ溶接は、電子ビーム溶接またはＷＩＧ溶接またはＭＡＧ溶接を用いて実施することができる。リング１５には図に示されていない動翼列を設置するための少なくとも一つの翼溝１８が形成されている。
【００４２】
リング１６は、まだ、ナローギャップ溶接を用いて、材料的に一体式に軸ベース部材２もしくは取り付け部分７と結合されていない。これは特に細部拡大図１９から読み取れる。細部拡大図１９は、リング１６がナローギャップ溶接の前にセンタリング手段を用いて、軸ベース部材２に対して同軸的に位置調整されることを示している。センタリング手段は、リング１６に設けられているとともに、取り付け部分７の方向を向いたショルダ２１を含み、当該ショルダは、径方向において取り付け部分７に形成されるとともにリング１６の方向に向いた突起２２に接触している。ショルダ２１および突起２２は、リング１６もしくは取り付け部分７における軸端部１０から離れる方向に面する端部に設けられている。ナローギャップ溶接は、矢印２０に従って、リング１６に対して最も近くに設けられている軸ベース部材２の軸端部１０に対向する側から実施される。
【００４３】
リング１５および１６は、個々のナローギャップ溶接の終了後に後熱処理を受けることができる。個々のリング１５もしくは１６は、リング１５もしくは１６の目標幅よりも大きい幅を有して製造することができ、リング１５もしくは１６の幅はナローギャップ溶接の終了後、およびリング１５もしくは１６の検査後に、材料除去によって目標幅まで減らされる。
【００４４】
図３は、図１に示すロータ軸１の別の製造状態における概略的な長手方向断面を示している。当該製造状態が、図２に示す製造状態と異なるのは、軸ベース部材２に第二の材料から成るさらなる二つのリング２３および２４が取り付けられている点であり、第二の材料は、第一の材料と同一のもしくはより高い強度および／または第一の材料より高い耐食性を有している。加えてリング１６にも翼溝１８が形成されている。それぞれのリング２３もしくは２４は、圧延または鍛造により製造されている。
【００４５】
リング２３および２４は、ナローギャップ溶接を用いて、材料的に一体式に軸ベース部材２と結合されている。特にそれぞれのリング２３もしくは２４は、ナローギャップ溶接を用いて生じさせられた溶接継ぎ目１７を介して軸ベース部材２と結合されている。それぞれの溶接継ぎ目１７は、第一の溶接材料から成るとともに軸方向において外側にある、（図に示されていない）外側部分と、第二の溶接材料から成るとともに外側部分同士の間にある（図に示されていない）中央部分と、を有してよく、第一の溶接材料は第二の溶接材料より高い耐食性を有する。ナローギャップ溶接は、電子ビーム溶接またはＷＩＧ溶接またはＭＡＧ溶接を用いて実施することができる。ナローギャップ溶接は、矢印２０に従って、それぞれリング２３もしくは２４に対して最も近くに設けられている軸ベース部材２の軸端部９もしくは１０に対向する側から実施される。リング２３および２４にはそれぞれ、図に示されていない動翼を設置するための翼溝１８が形成されている。
【００４６】
リング２３および２４は、それぞれのナローギャップ溶接の終了後に後熱処理を受けることができる。個々のリング２３もしくは２４は、リング２３もしくは２４の目標幅よりも大きい幅を有して製造することができ、リング２３もしくは２４の幅は、ナローギャップ溶接の終了後、およびリング２３もしくは２４の検査後に、材料除去によって目標幅まで減らされる。
【００４７】
したがってロータ軸１は、二つのリング１５および２３であって、軸ベース部材２の軸端部９に向かってオフセットされて設けられるとともに、軸ベース部材２に取り付けられた、二つのリング１５および２３と、二つのリング１６および２４であって、軸ベース部材２の軸端部１０に向かってオフセットされて設けられるとともに、軸ベース部材２に取り付けられた、二つのリング１６および２４と、を含む。
【００４８】
リング１５，１６，２３，２４は、Ｎｉの含有量がより大きい、０．１０重量％−０．３０重量％のＣ、１．０重量％−６．０重量％のＣｒ、３．０重量％−６．０重量％のＮｉの組成を有する鋼リングとして形成されている。
【００４９】
リング１５，１６，２３，２４および接続部の強度は、二段階のプロセスにおいて調整することができ、第一段階の温度はＴ１にあり、第二段階の温度はＴ２にあり、式Ｔ１＜Ｔ２が成立する。
【００５０】
第二段階において、熱処理（ＰＷＨＴ）が実施され、ＰＷＨＴは溶着されたリングにおけるＬＣＦ特性の調整の不可欠な構成要素である。第一段階においてリングの品質熱処理が行われる。第二段階において、リングが取り付けられたベース部材のＰＷＨＴ熱処理が溶接後に行われる。第一段階における温度は、Ｔ１＝５５０℃から６３０℃であり、第二段階の温度は、Ｔ２＝５８０℃から６５０℃である。
【００５１】
一連の熱処理は、
ａ）軸ベース材料に対してリングにおける強度が高低調整可能であり、したがってより良好なＬＣＦ特性が得られることと、
ｂ）冶金術上のノッチも、応力腐食割れＳＣＣの生じやすさも回避するために、軸ベース材料およびリングにおいて、熱影響ゾーンが十分に焼き戻しされていることと、
を生じさせる。
【００５２】
好適な実施の形態を介して、本発明を細部にわたって詳細に図示および説明してきたが、本発明は開示された実施の形態に限定されるものではなく、当業者は本発明の保護範囲を逸脱しない限り、上記の実施の形態から他の変化形態を導き出すことができる。
【符号の説明】
【００５３】
１  ロータ軸
２  軸ベース部材
３  翼溝
４  動翼
５，６  取り付け部分
７，８  取り付け部分
９，１０  軸端部
１１，１２，１３，１４  取り付け部分の外径
１５，１６  リング
１７  溶接継ぎ目
１８  翼溝
１９  細部拡大図
２０  矢印
２１  ショルダ
２２  突起
２３，２４  リング
【図１】
2019527315.tif 000003
【図２】
2019527315.tif 000004
【図３】
2019527315.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成29年11月14日(2017.11.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン、特に蒸気タービンのタービンロータのためのロータ軸（１）であって、
第一の材料から成る軸ベース部材（２）と、第二の材料から成るとともに前記軸ベース部材（２）に取り付けられた少なくとも一つのリング（１５，１６，２３，２４）と、を有し、
前記第二の材料は、前記第一の材料と同一の強度もしくは前記第一の材料より高い強度および／または前記第一の材料より高い耐食性を有し、
前記リング（１５，１６，２３，２４）には少なくとも一つの翼溝（１８）が形成されており、前記リング（１５，１６，２３，２４）は、ナローギャップ溶接を用いて前記軸ベース部材（２）と材料的に一体式に結合され、
前記リング（１５，１６，２３，２４）は、０．１０重量％−０．３０重量％のＣ、１．０重量％−６．０重量％のＣｒ、３．０重量％−６．０重量％のＮｉの組成を有するロータ軸（１）。
【請求項２】
前記リング（１５，１６，２３，２４）は、前記ナローギャップ溶接を用いて作り出された少なくとも一つの溶接継ぎ目（１７）を介して前記軸ベース部材（２）と結合されており、前記溶接継ぎ目（１７）は、第一の溶接材料から成るとともに軸方向において外側にある外側部分と、第二の溶接材料から成るとともに前記外側部分同士の間にある中央部分と、を有し、前記第一の溶接材料は前記第二の溶接材料より高い耐食性を有する、請求項１に記載のロータ軸（１）。
【請求項３】
前記リング（１５，１６，２３，２４）は、圧延または鍛造によって製造されている請求項１または２に記載のロータ軸（１）。
【請求項４】
前記ロータ軸（１）が、少なくとも二つのリング（１５，１６，２３，２４）であって、前記軸ベース部材（２）の軸端部（９，１０）に向かってオフセットされて設けられるとともに、前記軸ベース部材（２）に取り付けられている、少なくとも二つのリング（１５，１６，２３，２４）を有し、前記軸端部（９，１０）に対してより近くに設けられているとともにリング（１５，１６）を担持する、前記軸ベース部材（２）の取り付け部分（５，８）の外径（１１，１３）は、前記軸端部（９，１０）からさらに遠くに設けられているとともに他のリング（２３，２４）を担持する、前記軸ベース部材（２）の取り付け部分（６，７）の外径（１２，１４）よりも小さい、請求項１から３のいずれか一項に記載のロータ軸（１）。
【請求項５】
タービン、特に蒸気タービンのタービンロータのロータ軸（１）を製造するための方法であって、
第一の材料から軸ベース部材（２）を製造するステップと、
第二の材料から少なくとも一つのリング（１５，１６，２３，２４）を製造するステップであって、前記第二の材料は、前記第一の材料と同一の強度もしくは前記第一の材料より高い強度および／または前記第一の材料より高い耐食性を有する、ステップと、
前記リング（１５，１６，２３，２４）を前記軸ベース部材（２）に取り付けるステップと、
ナローギャップ溶接を用いて前記リング（１５，１６，２３，２４）を前記軸ベース部材（２）に材料的に一体式に結合するステップと、
前記リング（１５，１６，２３，２４）に少なくとも一つの翼溝（１８）を形成するステップと、を有し、
前記リング（１５，１６，２３，２４）は、溶接の前に、５５０℃と６３０℃の間の温度で熱処理を受け、
前記リング（１５，１６，２３，２４）の溶接後、５８０℃と６５０℃の間の温度で熱処理が実施される方法。
【請求項６】
前記リング（１５，１６，２３，２４）は、前記ナローギャップ溶接を用いて作り出された少なくとも一つの溶接継ぎ目（１７）を介して前記軸ベース部材（２）と材料的に一体式に結合され、前記溶接継ぎ目（１７）は、当該溶接継ぎ目（１７）が、第一の溶接材料から成るとともに軸方向において外側にある外側部分と、第二の溶接材料から成るとともに前記外側部分同士の間にある中央部分と、を有するように製造され、前記第一の溶接材料は前記第二の溶接材料より高い耐食性を有する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記溶接継ぎ目（１７）の溶接継ぎ目基底部は、少なくとも部分的に、前記リング（１５，１６，２３，２４）と前記軸ベース部材（２）との間の間隙の外側に形成される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ナローギャップ溶接は、電子ビーム溶接またはＷＩＧ溶接またはＭＡＧ溶接を用いて実施される、請求項５から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記ナローギャップ溶接は、前記リング（１５，１６，２３，２４）に対して最も近くに設けられている前記軸ベース部材（２）の軸端部（９，１０）に対向する側から実施される、請求項５から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記リング（１５，１６，２３，２４）は、前記ナローギャップ溶接の前に、少なくとも一つのセンタリング手段を介して、前記軸ベース部材（２）に対して同軸的に位置調整される、請求項５から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
少なくとも前記リング（１５，１６，２３，２４）は、前記ナローギャップ溶接の終了後、後熱処理を受ける、請求項５から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記リング（１５，１６，２３，２４）は、圧延または鍛造によって製造される、請求項５から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記リング（１５，１６，２３，２４）は、前記リング（１５，１６，２３，２４）の目標幅よりも大きい幅を有して製造され、前記リング（１５，１６，２３，２４）の前記幅は、前記ナローギャップ溶接の終了後、および前記リング（１５，１６，２３，２４）の検査後に、材料除去によって前記目標幅まで減らされる、請求項５から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも二つのリング（１５，１６，２３，２４）は、前記軸ベース部材（２）の軸端部（９，１０）に向かってオフセットされて前記軸ベース部材（２）に取り付けられ、前記軸ベース部材（２）は、前記軸端部（９，１０）に対してより近くに設けられているとともにリング（２３，２４）を担持する、前記軸ベース部材（２）の取り付け部分（５，８）の外径（１１，１３）が、前記軸端部（９，１０）からさらに遠くに設けられているとともに他のリング（１５，１６）を担持する、前記軸ベース部材（２）の取り付け部分（６，７）の外径（１２，１４）よりも小さいように製造される、請求項５から１３のいずれか一項に記載の方法。
【手続補正書】
【提出日】平成31年4月17日(2019.4.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンのタービンロータのためのロータ軸（１）であって、
第一の材料から成る軸ベース部材（２）と、第二の材料から成るとともに前記軸ベース部材（２）に取り付けられた少なくとも一つのリング（１５，１６，２３，２４）と、を有し、
前記第二の材料は、前記第一の材料と同一の強度もしくは前記第一の材料より高い強度および／または前記第一の材料より高い耐食性を有し、
前記リング（１５，１６，２３，２４）には少なくとも一つの翼溝（１８）が形成されており、前記リング（１５，１６，２３，２４）は、ナローギャップ溶接部を用いて前記軸ベース部材（２）と材料的に一体式に結合され、
前記リング（１５，１６，２３，２４）は、０．１０重量％−０．３０重量％のＣ、１．０重量％−６．０重量％のＣｒ、３．０重量％−６．０重量％のＮｉの組成を有するロータ軸（１）。
【請求項２】
前記リング（１５，１６，２３，２４）は、前記ナローギャップ溶接部である少なくとも一つの溶接継ぎ目（１７）を介して前記軸ベース部材（２）と結合されており、前記溶接継ぎ目（１７）は、第一の溶接材料から成るとともに軸方向において外側にある２つの外側部分と、第二の溶接材料から成るとともに前記２つの外側部分の間にある中央部分と、を有し、前記第一の溶接材料は前記第二の溶接材料より高い耐食性を有する、請求項１に記載のロータ軸（１）。
【請求項３】
前記リング（１５，１６，２３，２４）は、圧延品または鍛造品である請求項１または２に記載のロータ軸（１）。
【請求項４】
前記ロータ軸（１）が、少なくとも二つのリング（１５，１６，２３，２４）であって、前記軸ベース部材（２）の軸端部（９，１０）に向かってオフセットされて設けられるとともに、前記軸ベース部材（２）に取り付けられている、少なくとも二つのリング（１５，１６，２３，２４）を有し、前記軸端部（９，１０）に対してより近くに設けられているとともにリング（２３，２４）を担持する、前記軸ベース部材（２）の取り付け部分（５，８）の外径（１１，１３）は、前記軸端部（９，１０）からさらに遠くに設けられているとともに他のリング（１５，１６）を担持する、前記軸ベース部材（２）の取り付け部分（６，７）の外径（１２，１４）よりも小さい、請求項１から３のいずれか一項に記載のロータ軸（１）。
【請求項５】
タービンのタービンロータのロータ軸（１）を製造するための方法であって、
第一の材料から軸ベース部材（２）を製造するステップと、
第二の材料から少なくとも一つのリング（１５，１６，２３，２４）を製造するステップであって、前記第二の材料は、前記第一の材料と同一の強度もしくは前記第一の材料より高い強度および／または前記第一の材料より高い耐食性を有する、ステップと、
前記リング（１５，１６，２３，２４）を前記軸ベース部材（２）に取り付けるステップと、
ナローギャップ溶接を用いて前記リング（１５，１６，２３，２４）を前記軸ベース部材（２）に材料的に一体式に結合するステップと、
前記リング（１５，１６，２３，２４）に少なくとも一つの翼溝（１８）を形成するステップと、を有し、
前記リング（１５，１６，２３，２４）は、溶接の前に、５５０℃と６３０℃の間の温度で熱処理を受け、
前記リング（１５，１６，２３，２４）の溶接後、５８０℃と６５０℃の間の温度で熱処理が実施される方法。
【請求項６】
前記リング（１５，１６，２３，２４）は、前記ナローギャップ溶接を用いて作り出された少なくとも一つの溶接継ぎ目（１７）を介して前記軸ベース部材（２）と材料的に一体式に結合され、前記溶接継ぎ目（１７）は、当該溶接継ぎ目（１７）が、第一の溶接材料から成るとともに軸方向において外側にある２つの外側部分と、第二の溶接材料から成るとともに前記２つの外側部分の間にある中央部分と、を有するように製造され、前記第一の溶接材料は前記第二の溶接材料より高い耐食性を有する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記溶接継ぎ目（１７）の溶接継ぎ目基底部は、少なくとも部分的に、前記リング（１５，１６，２３，２４）と前記軸ベース部材（２）との間の間隙の外側に形成される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ナローギャップ溶接は、電子ビーム溶接またはＷＩＧ溶接またはＭＡＧ溶接を用いて実施される、請求項５から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記ナローギャップ溶接は、前記リング（１５，１６，２３，２４）に対して最も近くに設けられている前記軸ベース部材（２）の軸端部（９，１０）に対向する側から実施される、請求項５から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記リング（１５，１６，２３，２４）は、前記ナローギャップ溶接の前に、少なくとも一つのセンタリング手段を介して、前記軸ベース部材（２）に対して同軸的に位置調整される、請求項５から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
少なくとも前記リング（１５，１６，２３，２４）は、前記ナローギャップ溶接の終了後、後熱処理を受ける、請求項５から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記リング（１５，１６，２３，２４）は、圧延または鍛造によって製造される、請求項５から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記リング（１５，１６，２３，２４）は、前記リング（１５，１６，２３，２４）の目標幅よりも大きい幅を有して製造され、前記リング（１５，１６，２３，２４）の前記幅は、前記ナローギャップ溶接の終了後、および前記リング（１５，１６，２３，２４）の検査後に、材料除去によって前記目標幅まで減らされる、請求項５から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも二つのリング（１５，１６，２３，２４）は、前記軸ベース部材（２）の軸端部（９，１０）に向かってオフセットされて前記軸ベース部材（２）に取り付けられ、前記軸ベース部材（２）は、前記軸端部（９，１０）に対してより近くに設けられているとともにリング（２３，２４）を担持する、前記軸ベース部材（２）の取り付け部分（５，８）の外径（１１，１３）が、前記軸端部（９，１０）からさらに遠くに設けられているとともに他のリング（１５，１６）を担持する、前記軸ベース部材（２）の取り付け部分（６，７）の外径（１２，１４）よりも小さいように製造される、請求項５から１３のいずれか一項に記載の方法。
【国際調査報告】
2019527315.tif 000006
2019527315.tif 000007
2019527315.tif 000008
2019527315.tif 000009
2019527315.tif 000010
2019527315.tif 000011